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金屬鋰粉末電極研究概覽

文章出處:責(zé)任編輯:人氣:-發(fā)表時(shí)間:2020-03-16 08:22【

中國粉體網(wǎng)訊  金屬鋰是一種銀白色的金屬,具有質(zhì)地輕,延展性好,導(dǎo)電性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),它的電化學(xué)性質(zhì)非?;顫?,電極電位為-3.045V,理論比容量高達(dá)3860mAh g-1,是目前發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量比能量最大的金屬之一。但是,金屬鋰直接作為電池負(fù)極材料依然存在很多問題。例如:金屬鋰非?;顫?,會(huì)與空氣或水發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致電池的組裝困難;充電時(shí),沉積的鋰會(huì)與電解液發(fā)生反應(yīng)而無法繼續(xù)參加循環(huán),導(dǎo)致庫倫效率低;由于金屬鋰表面形態(tài)的不均勻,導(dǎo)致表面電荷分布不均勻,枝晶的產(chǎn)生會(huì)刺穿隔膜造成電池短路,引發(fā)安全隱患。

直接對(duì)金屬鋰負(fù)極進(jìn)行改性是提高金屬鋰電池性能最直接也是最有效的方法。改性后的金屬鋰負(fù)極可以不經(jīng)過任何附加的電化學(xué)過程直接應(yīng)用于Li-S電池和Li-O2電池中。到目前為止,針對(duì)金屬鋰負(fù)極的改性方法主要有三種:(1)金屬鋰電極表面包覆改性;(2)采用復(fù)合金屬鋰電極;(3)金屬鋰合金電極以及金屬鋰粉末電極。

金屬鋰粉末電極是目前新形態(tài)鋰負(fù)極中研究較多的一種電極。鋰粉的常用制備方法為滴液乳化技術(shù)(DET):將金屬鋰(熔點(diǎn):180.54℃)置于245℃硅油中熔融,以25000-30000rpm速度進(jìn)行分散均勻,冷卻至室溫,將鋰粉過濾后,使用環(huán)乙烯、己烷等有機(jī)溶劑多次清洗后,即可制得直徑約為10-40μm的鋰粉(比表面積約是鋰片的5倍)。

增大金屬鋰電極的表面積可以抑制鋰枝晶的生長。由于粉末具有較大的比表面積,若采用粉末鋰電極可以降低電流密度,減小電極極化。

Kwon等將金屬鋰熔融之后與熱硅油混合成乳濁液,冷卻后析出固態(tài)鋰粉末,將篩選出的粒徑為20~40μm的鋰顆粒與粘結(jié)劑PVDF混合制備出金屬鋰粉末電極。這種方法制備的電極在大電流充放電和低溫下的循環(huán)性能都得到明顯改進(jìn)。Yoon等則分別在金屬鋰粉末電極的表面包覆LiF和蠟層,減小了電極的電阻提高了電極的穩(wěn)定性,從而提高了金屬鋰的循環(huán)性能。

上述相關(guān)的課題組還報(bào)道了用微乳液法制備金屬鋰粉末電極的研究方法,制備出的粉末鋰如圖所示。在不同的電流密度下對(duì)循環(huán)前后的粉末鋰負(fù)極進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)其能夠保持良好的原始形貌,且枝晶的形成得到了明顯的抑制。



利用微乳液法制備出的金屬鋰粉末電極的SEM圖

Heine等研究者對(duì)比了包覆的鋰粉末制備的粉末電極(CLiP)與鋰金屬箔電極的性能,認(rèn)為鋰粉末電極具有兩大優(yōu)勢(shì),一方面粉末電極具有更大的電化學(xué)活性表面積,局部電流密度減小,可以抑制鋰枝晶的產(chǎn)生,另一方面,鋰粉末電極可以更加精確地控制鋰在電極上的載量,提高鋰電池的能量密度。研究發(fā)現(xiàn)鋰粉末電極對(duì)循環(huán)穩(wěn)定性、庫倫效率、鋰沉積/溶解的極化和電極形貌等方面均有明顯的改善作用。

Jin-Suk Kim等通過SEM觀察鋰粉電極的溶解-沉積表面行為。對(duì)于使用普通鋰箔的電池,鋰的溶解-沉積僅在鋰箔表面發(fā)生,在多次充放電后,鋰枝晶產(chǎn)生并不斷積累。然而使用鋰粉的電池,鋰的溶解-沉積行為在整個(gè)鋰電極發(fā)生,并有效抑制了鋰枝晶的集聚,多次充放電后鋰粉電極形態(tài)變化不大。

M.S.Park等在Li-MnO2中分別使用鋰粉(平均直徑20μm)和鋰箔作為負(fù)極。與使用鋰箔的電池相比,使用鋰粉的電池比容量更高、內(nèi)部阻抗更小、脈沖性能更加優(yōu)異。通過BET測(cè)試發(fā)現(xiàn),由于鋰粉比表面積更大,有著較大的反應(yīng)面積,可有效減弱放電電流密度,因此在大電流放電下,該種電池有著較好的應(yīng)用前景。

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